高性能耐候桥梁钢的开发与应用

高性能耐候桥梁钢的开发与应用技术交流王玉玮燕山大学材料科学与工程学院亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室2016年1月21日，厦门王青峰教授电话：[phone]，E-mail:[e-mail]主要内容一、钢桥的环境腐蚀特点及防护技术二、国外耐候钢桥的发展现状及规范三、国内耐候钢桥的现状及技术条件四、高性能耐候桥梁用钢产品及配套关键技术开发五、高性能耐候桥梁钢、配套焊材的工厂应用性试验六、中国环境气候特点及免涂装钢桥选材建议七、国内耐候钢桥建造已具备的条件一、钢桥的环境腐蚀特点及防护技术普通钢桥的腐蚀问题腐蚀环境湿度:（临界值Hc=60％-70％）HHc，化学腐蚀，速率低；H≥Hc，电化学腐蚀，速率高。温度:由具体条件下腐蚀控制过程决定腐蚀类型∆均匀腐蚀∆点状腐蚀∆缝隙腐蚀∆应力腐蚀∆腐蚀疲劳Boston桥均匀腐蚀Boston桥缝隙腐蚀点状腐蚀应力腐蚀腐蚀疲劳介质：水和氧：腐蚀性粉尘：溶于液膜→酸、碱、盐液氯离子：破坏钝化膜→腐蚀。3222222)OH(Fe2OHO21)OH(Fe2;)OH(Fe2OH2OFe2→Fe2O3∙nH2O普通钢桥的腐蚀问题事故原因过载或事故自然灾害腐蚀数量373519事故原因材料不良其他数量49钢桥腐蚀断裂事故①每3~5年一次防腐蚀涂装维护；②每10~15年一次重新防腐涂装。州国家级桥梁279543座城镇级桥梁309792座日本104座悬索桥断桥事故原因统计防腐涂装维修美国俄亥俄大桥垮塌美国1998年统计普通钢桥的防腐涂装技术涂装金属涂层一般防腐涂装重型防腐涂装寿命10～25年费用占≥10%喷涂Al、Zn→致密氧化膜+涂漆或橡胶时间防腐涂装及金属涂层技术国外国内30～40年代红丹或磷化底漆和油性醇酸面漆-40～50年代环氧富锌涂料50年代常温固化无机富锌涂料50～60年代热喷涂技术天然原料、红丹防锈漆加醇酸面漆80年代水性无机富锌涂料、环氧云铁中间漆脂肪族聚氨酯面漆、热喷锌\铝技术环氧富锌、无机富锌、氯化橡胶、环氧树脂漆90年代热镀锌、热喷涂防腐涂装及涂层技术发展阴极保护复合材料耐候钢桥----低成本高效绿色防腐技术耐候桥梁钢CuCrNi耐候钢桥不朽之美普通桥梁钢耐候桥梁钢以锈止锈耐候钢桥的优势日本耐候钢桥与普通钢桥的成本比较项目普通钢材(涂装)耐候钢(镀面漆)备注初期一次经费比较钢材费101222116222成本提高14.8%螺栓59409954成本提高67.6%焊接材料(自动)1415321143成本提高49.4%制造、架设、铺装——钢砂2550025500表面处理(工厂)6295145050成本降低28.4%表面处理(现场)326576800成本降低79.2%搬运费100000100000管理费8560681917成本降低4.3%合计428029409586一次成本降低4.3%远期经费比较反复涂装费(1次/10年)1065050合计534534409586成本降低23.4%(日元/吨)降低成本耐候钢桥的优势美国耐候钢桥与普通钢桥的成本比较项目普通钢材(涂装)耐候钢(镀面漆)备注材料及加工10811138成本提高5.2%钢梁架设9191-初期工厂涂漆746成本降低91.9%初期现场涂漆1052成本降低98.1%合计13511237成本降低8.4%(美元/吨)降低成本缩短工期简化维护绿色环保二、国外耐候钢桥的发展现状及规范美国耐候桥钢桥技术的发展1964新泽西第1座免涂装耐候钢（UWS）桥，密歇根和爱荷华几乎同时建造类似钢桥。1979建造第500座UWS桥。1980AISI开展第1期研究，现场调查7个地区52座UWS桥的状况，掌握UWS使用性能。1985建造第2000座UWS桥。1989FHWA发布UWS桥指导性技术规范（TechnicalAdvisory5140.22）。-1992AISI开展第2期研究，重点研究适用于盐溶液环境耐候钢的维护涂料。-1995AISI开展第3期研究，重审1期52座+11座使用期为18-30年的UWS桥。调查结论：1、除密歇根底特律个别桥以外，其他所有UWS桥均运行良好。2、FHWA关于UWS桥的指导性技术规范适用性良好。3、UWS桥状况较差的主要原因可能是除冰盐用量多且频繁。4、应重视局部区域“微环境”的处理，如接头区域缝隙处排水。-2014运输部调研UWS桥耐久性能。调查52个州(区)，9492座USW桥、最长服役期50年。调查结论1、UWS桥通常运行可靠。2、UWS桥的运行状况受环境的影响不强3、设计和维护对UWS桥的运行状况影响更大。美国耐候桥钢桥技术的发展全美受调查9,492座UWS桥的地域分布UWS桥扩大应用范围的研究思路◊开发沿海、高湿、浓雾、多雨环境用高性能UWS材料。◊开发致密性保护锈层快速形成技术。◊开发海洋高盐环境用UWS.◊开发可靠的盐降量检测技术。美国耐候桥梁钢的发展O两代耐候桥梁钢：普通耐候桥梁钢、高性能耐候桥梁钢1-11-21-32-12-22-3年度高性能耐候桥梁钢发展历程1991AISI和CERF提出高性能钢需求1994TN生产出第一批试验钢1995最终确定HPS70W化学成分1996工业化生产第一批HPS70W厚板1997HPS70W钢首次桥梁应用;HPS70W纳入A709标准1998第10座HPS钢桥投入使用1999HPS70W纳入设计和制造规范2000TMCP工艺生产HPS70W2001A709增加TMCP和HPS50W;设计采用第100座高性能钢桥2002研制成功HPS100W2003首次在桥梁上采用HPS100W钢2004HPS100W纳入A709标准2005第360座HPS钢桥投入使用AISI（美国钢铁学会）CERF（美国土建工程研究基金会）FHWA（美国联邦公路管理署）AASHTO（美国国家高速公路和运输协会）TN（米塔尔钢铁公司）钢材CSiMnPSCuNiCrMoCeqPcmI传统345W/485W≤0.190.30~0.650.80~1.25≤0.040≤0.0500.25~0.40≤0.400.40~0.65-0.42~0.620.27~0.34≥5.3HPS345W/485W≤0.110.30~0.501.10~1.35≤0.020≤0.0060.25~0.400.25~0.400.45~0.700.02~0.080.38~0.540.22~0.27≥6.0Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15;Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5BI=26.01Cu+3.88Ni+1.20Cr+1.49Si+17.28%P-7.29Cu×Ni-9.10Ni×P-33.39Cu2牌号屈服强度MPa抗拉强度MPa伸长率HPS345W≥345≥485≥21HPS485W≥485585～760≥19HPS690W≥690760～895≥181、材料设计—高强、高韧、易焊接、耐候力学性能特点--高强度力学性能特点--优异低温韧性化学成分特点—低C，增Cu、Cr、Ni，提高耐候指数I，提高冶金质量美国高性能耐候桥梁钢的特点可焊性特点—降低预热温度2、防腐涂装设计—降低涂装成本免涂装、直接裸露使用；一次涂面漆后，形成稳定的钝化覆膜，免维护永久使用；HPS485W和传统485W钢最低预热温度对比耐侯性特点—提高耐候性HPS485W钢的Cu、Cr、Ni等耐候合金含量提高，耐候指数从≥5.3提高到≥6.0。美国高性能耐候桥梁钢的特点3、混合结构设计—减重、降低材料成本在负弯矩区，上翼缘和下翼缘采用HPS345W/485W钢；在其它区域使用传统345/485W。美国高性能耐候桥梁钢的应用0204060801001201401601997199819992000200120022003200444154109旧金山-奥克兰海湾大桥A709HPS485W福特桥A709HPS485W美国高性能耐候钢桥分布（～2004）美国高性能耐候钢桥总体情况其他发达国家耐候钢桥1965日本建成第1座耐候桥（涂装），1967日本建成第1座UWS桥。截止到2005年，耐候钢桥占总数20%1968加拿大建成第1座耐候桥。目前，新建桥梁90%采用了耐候钢。1969德国建造第1座耐候桥。1970英国建造第1座耐候桥。1992韩国建造第1座耐候桥，现有20座耐候桥。日本高性能耐候桥梁钢用量（～2005年）耐候钢桥设计制造施工规范标准规范构造细节----通风防水以保护稳定锈层1）排水系统：排水管口伸到下翼缘下；并确保不漏水；2）钢梁端部：腹板设置切口，确保通风，端部防锈处理；3）下翼缘截水：设置截水板，防止端部排水向跨中流入；4）下翼缘排水：设置排水坡度；5）桥面板：设置高性能的防水层；6）伸缩件：为了减少伸缩缝腐蚀，不设伸缩件或采用非排水型伸缩装置；………1)AASHTOLRFD桥梁设计规范临时条款(AASHT0LRFD)；2)AASHTO公路桥梁标准规范，第16版，1996年及2000年暂行规定(AASHTOLFD)；3)AASHTO关于使用HPS70W钢的公路桥梁制造指南规范(AASHTOHPSGuide)；4)ANSI/AASHT0/AWSD1.5-2010桥梁焊接规范附录(AWSCode)。耐候钢桥设计制造施工规范日本UWS桥构造细节1）工形梁的下翼缘要设置排水坡度，箱形梁的下翼缘的自由伸出肢宽度要小，以防止积水。2）宜避免使用有填板的连接，不得以时填板材料也要使用耐候性钢材，螺栓使用耐候性高强度螺栓。下面的填板要分割，以防止积水。3）节点构造：为了提高通风性，尽可能少的采用密闭构造，而选择开放构造。开放构造相对密闭构造而言，结构稳定性和强度都较低，所以要在简易构造的二次应力较小的地方采用开放构造，而二次应力较大的地方依然选择密闭构造。4）主梁杆件之间，要留有10～20mm的间隙，以便使水容易漏下，防止积水。5）安装在外侧的加劲肋，其下端设50mm以上的切口，以不影响泄水。6）桥面板要设置高性能的防水层，防止桥面上的漏水。7）梁端周围，容易发生腐蚀，需要额外施加涂装。伸缩装置要使用耐久性好的非排水型的伸缩装置。8）排水系统要把排水管口伸到钢梁下翼缘以下，并且确保排水管不漏水；支承位置应选择通风性良好的地方；桥座面和壁面设置V形槽等等，减小腐蚀环境的影响。耐候钢桥设计制造施工规范美国HPS桥混杂设计混杂设计(HybridDesign)：在同一构件或主梁上采用不同型号的钢材。混杂钢梁(HybridGirder)：翼缘与腹板采用不同钢材的钢梁。主要特点：据结构受力情况配置不同型号(一般不超过两种)的钢材，以便充分发挥材料特性，平均用钢量减少20%，节省约10%的建桥费用。典型混杂钢梁截面翼缘采用同级HPS485w高性能耐候钢，腹板采用较低等级的345w普通耐候钢。负弯矩区的上下翼缘采用了相同等级钢材，而在两端支座附近的上下缘则采用了不同等级的钢材。连续混杂钢梁HPS485W345HPS485W耐候钢桥选材规范美国UWS桥选材规范美国UWS桥选材指导性建议ASTMG101基于3类地区15年曝晒数据，提出了评价低合金钢耐大气腐蚀性能的规范：1、耐大气腐蚀指数I=26.01（%Cu）+3.88（%Ni）+1.20（%Cr）+1.49（%Si）+17.28（%P）-7.29（%Cu）（%Ni）-9.10（%Ni)（%P)-33.39(%Cu)2，其中，Cu≤0.51%，Ni≤1.1%，Cr≤1.3%，Si≤0.64%，P≤0.12%。2、I指数越大，耐候性能越好。3、耐候钢桥一般按I≥6.0或I≥6.5两个等级选材。1、重腐蚀性工业大气和化学烟雾；2、高浓度盐水喷雾或盐雾；3、与富含水分且经过防腐处理的木材接触；4、钢桥大量使用融雪剂（除冰盐）且大量盐分聚集；5、多雨高湿、或长久潮湿；6、钢桥下死水、水流过缓且与